3.4 共享介质局域网和交换局域网 3.4.1共享介质局域网的工作原理 及存在的问题 3.4.2 交换局域网的特点 3.4.3 交换局域网的工作原理 3.4.4 局域网交换机技术

3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题 传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上， 网中所有结点共享一条公共通信传输介质，典型的介质访 问控制方式是CSMA/CD、Token Ring、Token Bus。介质 访问控制方式用来保证每个结点都能够“公平”的使用公 共传输介质。IEEE 802.2标准定义的共享介质局域网有以 下三种： 采用CSMA/CD介质访问控制方式的总线型局域网。 采用Token Bus介质访问控制方式的总线型局域网。 采用Token Ring介质访问控制方式的环型局域网。

3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题 目前应用最广的一类局域网是第一种，即以太网（Ethernet）。 10Base-T以太网的中心连接设备是集线器（Hub），它是对“共享 介质” 总线型局域网结构的一种改进。用集线器作为以太网的中心 连接设备时，所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。这样的以 太网在物理结构上是星型结构，但它在逻辑上仍然是总线型结构， 并且在MAC层仍然采用CSMA/CD介质访问控制方式。当集线器接 收到某个结点发送的帧时，它立即将数据帧通过广播方式转发到其 它端口。

3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题 在10Base-T的以太网中，如果网中有N个结点，那么 每个结点平均能分到的带宽为10Mbps/N。显然，当局域 网的规模不断的扩大，结点数N不断增加时，每个结点平 均能分到的带宽将越来越少。因为Ethernet的N个结点共享 一条10Mbps的公共通信信道，所以当网络结点数N增大、 网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络 效率急剧下降，网络传输延迟增长，网络服务质量下降。 为了克服网络规模和网络性能之间的矛盾，人们提出了将 “共享介质方式”改为“交换方式”的方案，这就推动了 “交换局域网”技术的发展。交换局域网的核心设备是局 域网交换机，它可以在它的多个端口之间建立多个并发连 接。图3.6简单说明了交换局域网的工作原理，图中交换机 为站点A 和站点E，站点B 和F，站点C和站点D分别建立 了并行、独立的三条链路，使之能同时实现A和E、B和F、 C和D之间的通信。

3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题 图3.6 交换局域网的工作原理

3.4.2 交换局域网的特点 我们以交换以太网（Switch Ethernet）为例说明交换 局域网的共同特点。交换以太网是指以数据链路层的帧为 数据交换单位，以以太网交换机为基础构成的网络。它根 本上解决了共享以太网所带来的问题。其特点如下： 允许多对站点同时通信，每个站点可以独占传输通道和带宽。 灵活的接口速率 具有高度的网络可扩充性和延展性 易于管理、便于调整网络负载的分布，有效地利用网络带宽 交换以太网与以太网、快速以太网完全兼容，它们能够实现无缝连接 可互连不同标准的局域网。

3.4.3 交换局域网的工作原理 1. 交换局域网的基本结构 交换局域网的核心设备是局域网交换机，它可以在它 的多个端口之间建立多个并发连接。为了保护用户已有的 投资，局域网交换机一般是针对某类局域网（例如802.3标 准的Ethernet或802..5标准的Token Ring）设计的。 典型的交换局域网是交换以太网（Switched Ethernet），它的核心部件是以太网交换机。以太网交换 机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接， 也可以与一个共享介质式的以太网集线器（Hub）连接。

3.4.3 交换局域网的工作原理 如果一个端口只连接一个结点，那么这个结点就可以 独占整个带宽，这类端口通常被称作“专用端口”；如果 一个端口连接一个与端口带宽相同的以太网，那么这个端 口将被以太网中的所有结点所共享，这类端口被称为“共 享端口”。典型的交换以太网的结构如图3.7所示。

3.4.3 交换局域网的工作原理 图3.7 交换以太网的结构示意图

3.4.3 交换局域网的工作原理 2. 局域网交换机的工作原理 典型的局域网交换机结构与工作过程如图3.8所示。 图中的交换机有6个端口，其中端口1，4，5，6分别连接 了结点A，结点B，结点C与结点D。那么交换机的“端口 号/MAC地址映射表”就可以根据以上端口号与结点MAC 地址的对应关系建立起来。如果结点A与结点D同时要发 送数据，那么它们可以分别在Ethernet帧的目的地址字段 （DA）中添上该帧的目的地址。

3.4.3 交换局域网的工作原理 图3.8 交换机的结构与工作过程

3.4.3 交换局域网的工作原理 例如，结点A要向结点C发送帧，那么该帧的目的地址 DA=结点C；结点D要向结点B发送帧，那么该帧的目的地 址DA=结点B。当结点A，结点D同时通过交换机传送 Ethernet帧时，交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC 地址映射表”的对应关系找出帧的目的地址的输出端口号， 那么它就可以为结点A到结点C建立端口1到端口5的连接， 同时为结点D到结点B建立端口6到端口4的连接。这种端口 之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在 多个端口之间建立多个并发连接。

3.4.3 交换局域网的工作原理 以太网交换机的帧转发方式可以分为以下三类： 直接交换方式 存储转发方式 改进直接交换方式

3.4.4 局域网交换机技术 1. 交换机与集线器的区别 交换机的作用是对封装的数据包进行转发，并减少冲 突域，隔离广播风暴。从组网的形式看，交换机与集线器 非常类似，但实际工作原理有很大的不同。 从OSI体系结构看，集线器工作在 OSI/RM的第一层， 是一种物理层的连接设备，因而它只对数据的传输进行同 步、放大和整形处理，不能对数据传输的短帧、碎片等进 行有效的处理，不进行差错处理，不能保证数据的完整性 和正确性。交换机工作在OSI的第二层，属于数据链路层 的连接设备，不但可以对数据的传输进行同步、放大和整 形处理，还提供数据的完整性和正确性的保证。

3.4.4 局域网交换机技术 从工作方式和带宽来看，集线器是一种广播模式，一 个端口发送信息，所有的端口都可以接收到，容易发生广 播风暴；同时集线器共享带宽，当两个端口间通信时，其 它端口只能等待。交换机是一种交换方式，一个端口发送 信息，只有目的端口可以接收到，能够有效的隔离冲突域， 抑制广播风暴；同时每个端口都有自己的独立带宽，两个 端口间的通信不影响其它端口间的通信。

3.4.4 局域网交换机技术 2. 交换机的技术特点 目前，局域网交换机主要是针对以太网设计的。一般 来说，局域网交换机主要有以下几个技术特点。 低交换传输延迟 高传输带宽 允许10Mbps/100Mbps共存 支持虚拟局域网服务

3.4.4 局域网交换机技术 3. 第三层交换技术 简单的说，第三层交换技术就是“第二层交换技术+第三层转发”。第三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。 一个具有第三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是两者的有机结合，而不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。

3.4.4 局域网交换机技术 其工作原理如下：假设两个使用IP协议的站点A、B通 过第三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送时，把 自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B站是否与自己在 同一子网内。若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行 第二层的转发。若两个站点不在同一子网内，如发送站A 要与目的站B通信，发送站A要向“缺省网关”发出ARP （地址解析）封包，而“缺省网关”的IP地址其实是第三 层交换机的第三层交换模块。当发送站A对“缺省网关” 的IP地址广播出一个ARP请求时，如果第三层交换模块在 以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址，则向发送站 A回复B的MAC地址。否则第三层交换模块根据路由信息 向B站广播一个ARP请求， B站得到此ARP请求后向第三层 交换模块

3.4.4 局域网交换机技术 回复其MAC地址，B站得到此ARP请求后向第三层交换模 块回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给 发送站A，同时将B站的MAC地址发送到第二层交换引擎 的MAC地址表中。从这以后，当A向B发送的数据包便全 部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。由于仅仅在 路由过程中才需要第三层处理，绝大部分数据都通过第二 层交换转发，因此第三层交换机的速度很快，接近第二层 交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。可以相 信，随着网络技术的不断发展，第三层交换机有望在大规 模网络中取代现有路由器的位置。